隧道自行式仰拱棧橋有限元分析

羅懷錢，鄭軍，高旭東，鄧洋，劉偉

（中鐵工程服務(wù)有限公司，四川 成都 610083）

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷進(jìn)步，隧道及地下空間開發(fā)得到了迅猛的發(fā)展。仰拱棧橋作為鐵路隧道施工中的重要設(shè)備，對隧道的施工進(jìn)度和圍巖的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的施工方法中，工人勞動強(qiáng)度大，施工成本高，施工質(zhì)量較差，往往存在填充不滿、混凝土開裂、以及道床翻漿冒泥等缺陷。因此，在仰拱施工中，必須有效地組織施工工序，不能貿(mào)然推進(jìn)。為了加快施工進(jìn)度，保證隧道施工安全以及隧道施工質(zhì)量，開發(fā)了適合隧道工程施工自行式移動仰拱棧橋。仰拱棧橋作為仰拱全幅施工時(shí)洞內(nèi)過往交通的重要承載件，對仰拱棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，對提高仰拱棧橋的可靠性、安全性以及降低成本具有重要的意義。筆者采用三維軟件對仰拱棧橋進(jìn)行建模，采用FEM對仰拱棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲得棧橋的應(yīng)力和變形情況，為仰拱棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對仰拱棧橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 工況條件

在仰拱施工中，地質(zhì)條件極為惡劣。棧橋前端為高低不平的地面，往返于隧道掌子面及洞口的車輛將在棧橋上來回運(yùn)輸渣料，因此要求棧橋必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度滿足隧道的正常施工。選定棧橋設(shè)計(jì)跨距為17.5m，寬度3.25m，設(shè)計(jì)載荷50t。見圖1。

圖1 棧橋主梁受力分析

其中，A、D為棧橋前后支撐點(diǎn)，B點(diǎn)為渣土車后輪位置，C為渣土車前輪位置，P為渣土車載荷。求得A、D點(diǎn)出的支反力FA和FD分別為：

易知，在主梁上B、C兩點(diǎn)處的彎矩較大，得B、C點(diǎn)的彎矩表達(dá)式：

則有B點(diǎn)處的彎矩：

故當(dāng)取8m時(shí)，B點(diǎn)彎矩取最大值：

按相同方法核算C點(diǎn)處的最大彎矩：

故當(dāng)x取5.75m時(shí)，C點(diǎn)彎矩取最大值：

2 自行式仰拱棧橋有限元分析

2.1 自行式仰拱棧橋有限元模型建立

為降低有限元分析時(shí)間，對棧橋主要承載部件進(jìn)行分析，對結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，簡化后的棧橋模型如圖2所示，材料參數(shù)如表1所示。

圖2 簡化后的棧橋模型

表1 棧橋材料參數(shù)表

將三維實(shí)體模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行有限元分析，接觸設(shè)置為Bonded（綁定），忽略間隙與穿透，接觸區(qū)域無滑移。采用六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對橋面和主梁連接薄弱部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，如圖3所示。

圖3 棧橋主體網(wǎng)格

2.2 約束條件和載荷

棧橋工作過程中，一端由支撐腿與地面固定，另一端通過連接法蘭與支撐座連接，均作為固定約束，如圖4中黃色位置所示。對棧橋在危險(xiǎn)截面位置處加載渣土車載荷，并在重心處加載自重。

圖4 邊界條件

2.3 有限元分析結(jié)果分析

從圖5可知，棧橋在工作條件下，應(yīng)力較大部分在棧橋支撐腿和棧橋橋面的連接部位，最大等效應(yīng)力為137MPa，此外主梁中部危險(xiǎn)位置處主梁應(yīng)力為40MPa。棧橋材料為Q235B，許用應(yīng)力為235/1.5=156MPa,仰拱棧橋采用本方案制作，能滿足工地上車輛的通過要求。

圖5 棧橋等效應(yīng)力云圖

圖6 棧橋等效變形云圖

從圖6可知，棧橋變形集中在棧橋中部危險(xiǎn)位置，最大變形量為7.76mm。仰拱棧橋的設(shè)計(jì)長度為17.5m，當(dāng)車輛滿載通過時(shí)，若棧橋的撓度過大，將導(dǎo)致棧橋發(fā)生較大振動，使棧橋處于不安全狀態(tài)。對于梁的撓度，其容許值通常用容許的撓度與梁跨長的比值。棧橋最大撓度值為7.76mm，小于規(guī)范要求，滿足設(shè)計(jì)。該型號棧橋在某鐵路隧道施工中應(yīng)用效果良好，安裝方便快捷，可靠性高，得到施工方的一致高度評價(jià)。

3 結(jié)語

（1）通過對仰拱棧橋的結(jié)構(gòu)仿真分析可知：設(shè)計(jì)仰拱棧橋的最大應(yīng)力為164.85MPa；最大變形為9.24mm，強(qiáng)度和剛度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）該仰拱棧橋在某鐵路隧道施工中應(yīng)用效果良好，安裝方便、成本低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

（3）通過仰拱棧橋的有限元模擬和現(xiàn)場應(yīng)用情況，驗(yàn)證了對仰拱棧橋進(jìn)行有限元模擬在前期設(shè)計(jì)中的可參考性，有限元模擬方法在仰拱棧橋的前期開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。